KR100882536B1 - 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트미러 회로 - Google Patents

플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트미러 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전류원을 공급하는 커런트 미러 (Current mirror) 회로에 관한 것으로, 특히, 플라이백 변환기(Flyback Converter)와 PWM 제어회로에 의하여 스위칭되는 스위칭 수단을 이용하여 높은 전압, 대 전류의 기준 전류를 형성할 수 있도록 한 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로를 개시한다.
본 발명은 능동 전류 바이어스를 위하여 플라이백 컨버터와, 저항 값이 매우 낮은 검출저항, 이러한 검출저항에서 얻어지는 낮은 전압을 기준 전압과 함께 비교하여 일정한 전류를 출력시키기 위한 듀티비의 출력을 제공하는 PWM 제어회로에 의하여 작동되는 스위칭 수단으로 대전류를 요구하는 회로에서 필요한 충분한 기준 전류를 제공할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 이를 위하여 마스터 트랜지스터와 슬레이브 트랜지스터의 에미터에 전원을 연결하고, 슬레이브 트랜지스터의 콜렉터는 부하에 연결되며, 마스터 트랜지스터의 콜렉터에 플라이백 트랜스의 1차측 권선 및 PWM 제어부로 제어되는 스위칭 수단 및 검출저항을 연결하고, 플라이백 트랜스의 이차측은 다이오드를 통하여 마스터 트랜지스터와 슬레이브 트랜지스터의 에미터에 연결되도록 하여서 된 것이다.
이에 따라 본 발명은 PWM 제어부의 기준 전압을 조절하여 줌에 따라 스위칭 수단을 통하여 대전류의 기준 전류를 능동적으로 조절가능하게 되는 것이어서 기준 전류를 최대값의 범위에서 일정하게 조절하게 되는 유용한 효과가 있다.

Description

플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로{Active Current Bias Type Current Mirror Circuit Using Flyback Converter}
도 1은 일반적인 커런트 미러(Current mirror) 회로도.
도 2는 본 발명에 의한 커런트 미러 회로의 개략적인 구성을 보인 의 블록도
도 3은 본 발명에 의한 커런트 미러 회로의 구체적인 구성을 보인 회로도.
도 4는 본 발명을 이용한 플라이백 컨버터(Flyback Converter)의 기본 구성을 보인 회로도.
도 5는 본 발명에 의한 플라이백 컨버터의 스위치가 온인 경우의 동작을 보인 회로도.
도 6은 본 발명에 의한 플라이백 컨버터의 스위치가 오프인 경우의 동작을 보인 회로도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
Q1:마스터 트랜지스터 Q2,Q3:슬레이브 트랜지스터
N1:1차측 권선 N2:2차측 권선
T:플라이백 트랜스포머 PWMC:PWM 제어회로
SD:스위칭 수단 RS:검출저항
D:다이오드
본 발명은 정전류원을 공급하는 커런트 미러 (Current mirror) 회로에 관한 것으로, 특히, 플라이백 변환기(Flyback Converter)와 PWM 제어회로에 의하여 스위칭되는 스위칭 수단을 이용하여 스위칭 하도록 함으로써, 높은 전압, 대 전류의 기준 전류를 형성할 수 있도록 한 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, IC MOS 증폭기의 바이어싱은 정전류 전원들을 이용하게 된다.
이는 정전류를 생성하고 여러 증폭기 단들에게 직류 바이어스 전류들을 공급하기 위하여 IC내의 여러 장소들에서 복제된다.
도 1에 기본적인 정전류 전원의 회로를 나타내었다. 이에서 트랜지스터 Q1의 드레인이 게이트에 단락되어 있으므로 트랜지스터는 포화영역에서 동작한다.
즉
Figure 112007042890611-pat00001
으로 된다.
이때, Q1의 드레인 전류는 저항 R을 통해서 VDD에 의해 공급된다. 게이트 전류들이 0이므로
Figure 112007042890611-pat00002
이 된다.
여기서, R을 통하는 전류는 전류전원의 Reference 전류로 나타난다.
Q2는 Q1과 같은 VGS를 가지므로, 포화되어 동작한다고 가정하면 전류전원의 출력전류 IO인 드레인 전류는
Figure 112007042890611-pat00003
이 된다.
이때, Reference 전류에 출력전류 IO를 관련시켜 보면 다음과 같다.
Figure 112007042890611-pat00004
이때, 동일 트랜지스터로 구성되는 경우는 IO=IREF가 된다.
그러므로, 도 1로 보인 바와 같은 회로에서 기준 전류를 결정하는 방법은 저항 값을 조절하는 것과 공급 전압을 조절하는 것인바, 대개의 경우는 주로 저항을 연결하여 결정하게 된다.
이러한 저항 값 조절 방식은 저항 자체가 부하로 기능하므로, 효율의 저하와 발열의 문제가 있기는 하나, 소전류를 흘려주는 집적회로 등에서 널리 사용되고 있다.
그러나, 다수의 부하에서 똑같은 전류을 요하는 회로를 구성할 때 특히 높은 전압과 큰 전류를 요구하는 경우에는 저항에서 발생하는 고열이 회로 전반에 문제 를 야기하므로, 대전류, 고전압 회로에서는 저항 값 조절 방식으로 기준 전류를 결정하기 어렵게 되는 문제점이 있는 것이다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 능동 전류 바이어스를 위하여 플라이백 컨버터와, 저항 값이 매우 낮은 검출저항, 이러한 검출저항에서 얻어지는 낮은 전압을 기준 전압과 함께 비교하여 일정한 전류를 출력시키기 위한 듀티비의 출력을 제공하는 PWM 제어회로에 의하여 작동되는 스위칭 수단으로 대전류를 요구하는 회로에서 필요한 충분한 기준 전류를 제공할 수 있는 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로를 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 마스터 트랜지스터와 슬레이브 트랜지스터의 에미터에 전원을 연결하고, 슬레이브 트랜지스터의 콜렉터는 부하에 연결되고, 마스터 트랜지스터의 콜렉터에 플라이백 트랜스의 1차측 권선 및 PWM 제어부로 제어되는 스위칭 수단 및 검출저항을 연결하며, 플라이백 트랜스의 이차측은 다이오드를 통하여 마스터 트랜지스터와 슬레이브 트랜지스터의 에미터에 연결되도록 하여서 된 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로를 제안한다.
이와 같이 된 본 발명은 PWM 제어부의 기준 전압을 조절하여 줌에 따라 스위칭 수단을 통하여 대전류의 기준 전류를 능동적으로 조절가능하게 되는 것이어서 기준 전류를 최대값의 범위에서 일정하게 조절하게 되는 유용한 효과가 있다.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
마스터 트랜지스터(Q1)와 슬레이브 트랜지스터(Q2,Q3)의 에미터에 전원을 연결하고, 슬레이브 트랜지스터(Q2,Q3)의 콜렉터는 부하에 연결시키며, 마스터 트랜지스터(Q1)의 콜렉터에 플라이백 트랜스포머(T)의 1차측 권선(N1) 및 PWM 제어부(PWMC)로 제어되는 스위칭 수단 및 검출저항(RS)을 연결하며, 플라이백 트랜스포머(T)의 이차측은 다이오드를 통하여 마스터 트랜지스터(Q1)와 슬레이브 트랜지스터(Q2,Q3)의 에미터에 연결되도록 하여서 된 것이다.
또한, 전술한 검출저항(RS)의 일측은 기준전압과 함께 PWM 제어부(PWMC)의 입력단자에 연결되도록 되어 있으며, PWM 제어부(PWMC)는 오차 증폭기와, 오차증폭기의 출력과 PWM발생회로의 출력을 비교하여 스위칭 수단(SD)에 의하여 안정된 전류 제어가 가능하도록 스위치 구동회로를 제어하기 위한 출력을 발생시키도록 하여서 된 것이다.
이와 같이 된 본 발명은 정전류원을 형성하기 위하여 도 2, 3에서 보는 바와 같이 전류 미러회로에서 기준 전류를 제어할 수 있도록 절연형 플라이백 컨버터를 연결함으로써, 높은 전압과 대 전류조건에서 정전류원을 형성하고 제어할 수 있는 능동 전류 바이어스의 구현이 가능한 것이다.
즉, 본 발명에서는 도 3으로 보인 바와 같이, 마스터 트랜지스터 (Q1)이 턴온되면, 트랜스포머(T)의 1차측 (N1)권선으로 전류가 흐르게 되고 이 권선에는 입력 전압 및 전류가 유기된다. 한편 2차측 권선(N2)에서는 흑점의 방향에 의해 1차측 권선(N1)과 반대 극성의 전압이 유기되므로 다이오드(D)는 역바이어스되어 차단된다. 따라서 1차측 권선(N1)의 자화 인덕턴스에만 에너지가 축적된다.
이어서, 마스터 트랜지스터(Q1)가 턴오프되면 되면 2차측 권선(N2)에는 전 상태와 반대 극성의 역기전력이 발생되어 다이오드(D)를 도통시킴으로써 트랜스포머(T)의 자화인덕턴스에 축적된 에너지를 마스터 트랜지스터(Q1) 및 슬레이브 트랜지스터(Q2, Q3)에미터 측으로 인가하게 된다.
이러한 플라이백 컨버터의 입력전류 평균치의 최대치(Iimax)를 구하면
Figure 112008051396264-pat00005
이 된다. 여기에서 Po는 최대 출력파워이고, Vimin은 입력전압의 최소치 이며,
Figure 112008051396264-pat00012
는 효율을 나타내는 상수이다.
이러한 플라이백 컨버터의 입력전류가 바로 커런트 미러에서 사용하고자 하는 능동 전류 바이어스로 인한 기준 전류가 된다. 이러한 플라이백 컨버터에서 검출저항(RS)으로 인해 스위치전류를 제한함으로 해서 플라이백 컨버터에 입력되는 전류를 제한한다. 또한, 본 발명에서는 PWM 제어회로에 의하여 입력전류를 원하는 수준으로 일정하게 유지하게 되는 것이며, 이는 플라이백 컨버터의 스위치역할을 하는 스위칭 수단(SD)인 FET의 듀티비(Duty Ratio)를 조절함으로써, 필요에 따라 최대로 설정한 기준 전류의 범위 내에서 슬레이브 트랜지스터(Q2,Q3)에 의하여 OLED/LED 등에 정전류를 공급할 수 있게 되는 것이다. 이러한 본 발명의 동작을 도 5, 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 마스터 트랜지스터(Q1) 및 슬레이브 트랜지스터(Q2,Q3)의 에미터를 통해 전류를 흘려 주어 커런트 미러 회로를 구성한다.
이러한 커런트 미러의 바이어스 전류를 위하여 접지와의 사이에 플라이백 컨버터의 1차측 권선(N1)과 스위칭 수단(SD) 그리고 검출저항(RS)를 직렬 접속하였다.
이에 따라 커런트 미러의 마스터 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자에 플라이백 컨버터의 전원 입력으로 연결되는 트랜스포머(T)의 1차측 권선(N1)에 연결되어 입력전원이 유입된다.
이에 따라, 도 4의 회로도에서 보이는 플라이백 컨버터의 스위칭 수단(SD)이 턴온되면 전류 미러를 구성하고 있는 마스터 트랜지스터(Q1)를 통해 플라이백 컨버터의 트랜스포머(T) 1차측 권선(N1)으로 전류가 유입되고, 2차측 권선(N2)에는 흑점의 방향에 의해 1차측 권선(N1)과 반대 극성의 전압이 유기되므로 다이오드(D)에 의해 역바이어스는 차단된다. 따라서 1차측 권선(N1)의 자화 인덕턴스에만 에너지가 축적되게 된다. 이에 따라, 검출저항(RS)에 의해 검출되어진 전류는 PWM 제어회로(PWMC)로 유입되어 스위칭 수단(SD)의 듀티비를 조절하여 전류의 최대값을 제한하게 된다.
이와 같이 하여 입력전류가 크게 되면 스위치 역할을 하는 스위칭 수단(SD)인 MOSFET의 게이트에 입력되는 PWM신호의 듀티비를 작게 하고, 반대로 입력전류가 작아지면 듀티비를 크게 하여 일정한 전류가 흐르도록 제어하게 되는 것이다.
이때 흐르는 플라이백 컨버터의 입력 전류는 전류 미러의 기준 전류가 되어 각각의 슬레이브 트랜지스터 (Q2,Q3)에 같은 전류가 흐르게 된다.
여기서 플라이백 컨버터의 입력전류가 바로 전류 미러에서 사용하고자 하는 능동 전류 바이어스로 인한 기준 전류가 된다. 이러한 본 발명에 사용되는 PWM 제어회로(PWMC)를 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 플라이백 컨버터에서 검출저항(RS)으로 인하여 검출된 전류는 기준 전압과 함께 PWM 제어 회로(PWMC) 에 있는 오차 증폭기로 유입된다. 이러한 오차증폭기로 유입된 전류값은 비교기를 통해 PWM발생회로에서 발생된 펄스파와 비교를 하게 된다. 비교기에서는 기준전류보다 검출된 전류가 높게 되면 턴온타임을 줄임으로써 전류값을 줄이게 된다. 반대로 기준전류보다 검출된 전류가 낮으면 턴온타임을 증가시킴으로써 전류값을 다시 기준전류값과 동일하게 유지하려 한다. 이러한 과정으로 플라이백 컨버터의 스위치역할을 하는 스위칭 수단(SD)인 FET의 듀티 비를 조절하게 되는 것이어서, 최대로 설정한 기준 전류의 범위 내에서 조절가능하게 되는 것이다.
아울러, 도 4로 보인 바와 같이 플라이백 컨버터의 스위칭 수단(SD)이 턴오프되면 트랜스포머(T)의 2차측 권선(N2)에는 전(前)의 상태와 반대 극성의 전압이 유기되어 다이오드(D)를 도통시킴으로써 트랜스포머(T)의 자화 인덕턴스에 축적된 에너지를 마스터 트랜지스터(Q1) 및 슬레이브 트랜지스터(Q2, Q3)의 에미터 즉, 주 전원부로 환원이 되어 주 전원부의 전력 소비량을 줄이게 되어 에너지 절약이 가능하게 된다.
이와 같이 하여 본 발명은 효율이 낮고, 제어 가능 전류가 극히 제한되며, 제어 전압도 낮을 수밖에 없는 저항 성분에 의한 전류 방식이 아닌 플라이백 컨버터를 이용한 PWM 제어 회로에 의한 스위칭으로 높은 전압과 큰 전류를 스위칭 할 수 있으므로, 슬레이브 트랜지스터(Q2,Q3)에 연결된 여러 부하에 동일한 대전류, 고전압을 공급해야 하는 회로 등에서 여유 있는 최대값의 범위에서 일정하게 조절할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 플라이백 컨버터의 2차측 권선에 의하여 역기전력을 이용하여 전원으로 활용할 수 있는 것이어서, 주 전원부의 전력 소비량을 절감할 수 있는 경제적 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 마스터 트랜지스터(Q1)와 슬레이브 트랜지스터(Q2, Q3)의 에미터에 전원을 연결하고, 슬레이브 트랜지스터(Q2, Q3)의 콜렉터는 부하에 연결하며, 마스터 트랜지스터(Q1)의 콜렉터에 플라이백 트랜스포머(T)의 1차측 권선(N1) 및 PWM 제어부(PWMC)로 제어되는 스위칭 수단(SD) 및 검출저항(RS)을 연결하고, 플라이백 트랜스포머(T)의 이차측은 다이오드를 통하여 마스터 트랜지스터(Q1)와 슬레이브 트랜지스터(Q2, Q3)의 에미터에 연결되도록 하여 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전술한 검출저항(RS)의 일측은 기준전압과 함께 PWM 제어부(PWMC)의 입력단자에 연결되도록 하고, PWM 제어부(PWMC)는 오차 증폭기와, 오차증폭기의 출력과 PWM발생회로의 출력을 비교하여 스위칭 수단(SD)에 의하여 안정된 전류 제어가 가능하도록 스위치 구동회로를 제어하도록 함을 특징으로 하는 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    전술한 스위칭 수단(SD)은 FET임을 특징으로 하는 플라이백 컨버터를 이용한 능동 전류 바이어스 방식 커런트 미러 회로.
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